水文与水资源工程专业研究型课程体系构建初探

黄金柏，方红远，解阳阳

（扬州大学水利科学与工程学院 江苏 扬州 225009）

培养高素质创新型人才是国家建设和发展的需要。培养大学生的创新能力是提高人才培养质量的重大举措。科研教学互动，创新教育教学理念和方式，是引导学生创新意识、培养创新能力、激发创新行为的重要手段。以科研促进教学，有利于提高学生的创新能力和培养创新型专业人才。对学生来讲，将前沿科学研究成果及时引入教学过程，通过科研成果的介绍、学习和探讨，有利于激发学生的学习兴趣和培养科学探索精神。许多高等教育工作者在如何实现科研反哺教学方面做了大量的探索。本文依托扬州大学水文学及水资源科研团队在模型构建和应用方面的相关研究成果，筛选专业课程中可利用模型解决的复杂计算问题，并将适用于模型计算的各知识点在教学顺序上进行整合，探讨构建模型嵌入的水文与水资源工程专业研究型教学体系。适用于模型工具解决的教学内容多为课程复杂计算问题，亦为课堂教学难点问题。在常规课堂教学过程中，限于常规教学手段和时间，复杂计算问题的教学难以达到良好的教学效果。模型工具基于其计算效率高、计算结果丰富以及可视化效果好等优点，可以很好地弥补常规教学手段不足以及提高课堂效率，有利于培养学生的科研兴趣和研究性思维。

1 课程体系构建

1.1 课程模块划分

根据专业培养方案，可将专业课程划分为水文类课程和水资源类课程（以下称水文课程模块和水资源课程模块），与两模块对应模型工具的性质和功能存在差别。

1.2 课程内容筛选

根据各门课程的开课顺序安排，筛选课程中可与模型计算结合的复杂计算问题。水文课程模块主要包括水文学原理、环境水力学、河流动力学、城市水文学、水文水利计算等课程，所引入模型主要为流域产汇流模型、污染物扩散和输移（水质）模型、城市雨洪模型、泥沙运移模型；水资源课程模块主要包括水资源系统分析、水资源学、水资源规划与利用等课程，所引入模型主要为水资源优化和管理模型，如数学规划模型、多水库联合调度模型等（图1）。经如上划分，可实现模型工具与两模块课程中复杂计算问题的精准对接，在教学方案和思路设计上也更加明晰。

1.3 教学体系设计

在整合水文课程模块和水资源课程模块复杂计算问题的基础上，对研究型教学体系进行设计。基于模型工具嵌入的水文与水资源工程专业研究型教学体系如图1 所示。

图1 模型嵌入教学的水文与水资源工程专业研究型课程体系构建

2 教学实践

2.1 教学过程实施

基于图1 所示的模型嵌入教学的专业研究型课程体系开展教学活动。教学实施过程突出学生的主体参与性，注重学生对模型计算和结果分析与处理等环节的实践训练，强化对计算方法和过程的理解与掌握。以环境水力学课程中污染物随流分散计算问题为例，对模型嵌入式的研究型教学开展过程进行简要介绍。在课堂教学过程中，首先讲解随流分散的基本知识，重点讲授一维随流剪切分散方程的建立过程以及模型算法建立过程；接下来，结合科研实际工作中某河段水流和水质条件构建污染物一维随流分散模型，对模型功能、结构、计算过程进行讲解；而后，对模型计算过程及结果处理的相关操作进行演示。此教学过程中的课程基础知识和模型构建情况简介如下：

2.1.1 基础方程式（基础知识）

式中，为时间因子（）；为水流方向的空间因子（）；为断面平均水深（m）；为断面单宽流量（/）；为河道糙率，为河床的坡度；为断面平均流速（/）；为某污染物浓度（/）；为河流纵向分散系数（/）。

2.1.2 差分式（算法建立主要环节）

式中，为计算断面的编号；为计算时间离散点的编号；其他因子与前述相同。

2.1.3 参数率定和定解条件（模型计算条件）

基于科研活动中对污染物一维随流分散模拟开展河段的水流条件（水深、流速、流量等）及污染物浓度的测量和调查结果，设定模型计算的定解条件，率定模型计算的主要参数（如随流分散系数和河道糙率等）。

2.1.4 模型构建

利用计算机软件Fortran开发一维随流剪切分散模型，实现模型的数值计算功能。

通过上述教学过程，使学生对复杂计算问题的基础知识、求解方法以及模型计算等环节的学习在思维逻辑上有了完整的认识、整合及加工过程。

2.2 学生主体参与

教学方案的实施过程重视学生的主体参与性。学生以分组形式完成模型计算及结果处理。在此过程中，学生个体行为自主性和思维独特性得到很好的发挥，学生运用课程知识解决实际问题的能力、独立思考和判断能力、合作性学习和沟通能力得到了全面训练。

3 教学效果评价

3.1 调查内容

跟踪教学实施过程，以对学生问卷的形式开展教学效果调查和评估。调查内容包括“研究型教学对课程计算难点问题的学习和掌握是否有帮助？”“对学生解决专业复杂计算问题能力的提升是否有帮助？”“对提升学生参与专业科研活动的兴趣是否有帮助？”“对学生创新思维和能力的培养是否有帮助？”四个方面。为各单项调查结果设置“满意”“基本满意”“一般”和“不满意”四个评价等级。

3.2 效果评价

调查结果表明，大部分学生对各单项评价结果都达到“满意”等级，部分学生根据自身的学习体会，针对教学体系和教学方案中的某些环节提出了个人的建议。通过与个别学生的谈话可知，对于数学基础相对较弱的少数学生来说，课程复杂计算问题的基本知识与模型计算过程同步教学的模式，在短时间内难以很好地接受，这为如何改进研究型教学体系提出了新的课题。

4 结语

本文初步构建了水文与水资源工程专业研究型课程体系，并针对教学效果进行了调查和评价。结果表明：该研究型课程体系的实施，较好地解决了课堂教学过程中学生对复杂计算问题难以理解的问题，教学效率和教学效果得到明显提升，增强了学生对感性材料加工并转化为理性认识的能力，有利于培养学生的科研兴趣和创新能力，从而得到了学生的普遍认可。

专业研究型课程体系的科学构建，须遵循当代教学规律的发展，凝聚专业教学团队的集体智慧，结合专业发展趋势和行业对创新型人才的需求，适时修订专业培养方案，不断探索并构建与时俱进的专业研究型教学体系，服务于高质量创新型专业人才的培养。本文所构建的基于模型工具嵌入的水文与水资源工程专业研究型课程体系，是对如何提升科研成果服务于专业教学活动的一次大胆尝试，相关工作仍处于不断探索阶段，不足之处在所难免，敬请同行专家不吝批评指正，我们将在后续的工作中持续改进。